Acier

Introduction

L’acier est en principe un alliage de fer et de carbone, dans lequel d’autre éléments (dits « accompagnateurs du fer ») sont souvent ajoutés. Des alliages de fer ou d’aciers spéciaux contiennent par exemple entre 0,8 et 14 pour cent de manganèse (acier-manganèse), entre 10 et 13 pour cent de silicium (acier résistant aux acides), ou 20 pour cent de chrome (acier V2A). Le fer brut gagné dans un haut-fourneau (voir plus bas) et la fonte contiennent entre deux et quatre pour cent de carbone. Des aciers de qualité en revanche contiennent seulement quelques centièmes d’un pour cent de carbone. En général la part de carbone dans les aciers varie entre 0,04 et 2,1 pour cent.


Histoire

Le moment exact auquel l’humanité a appris la technique de transformation du minerai de fer par fusion n’est pas connu. Les objets en fer les plus anciens, découverts en Egypte par des archéologues, datent de l’an 4000 av. J.C. Des ornements en fer ont même déjà été utilisés bien plus tôt. La technique relativement avancée de production d’armes en fer trempé était connue aux alentours de 1000 av. J.C. Les premiers alliages de fer (fer forgeable) ont été obtenus en faisant chauffer du minerai de fer et du charbon de bois dans un four ou une cheminée. Du fer dépourvu de carbone est obtenu en apportant de l’air frais dans le mélange ardent à partir du 14e siècle. Le minerai est ainsi réduit à l’état d’une masse poreuse de fer métallique contenant un laitier d’impuretés métalliques et de cendres de charbon de bois. L’oxydation des autres produits contenus dans le minerai par l’oxygène de l’air ambiant est aussi appelé « affination ». La masse ainsi obtenu fut retirée du four encore ardente puis traitée avec de lourds marteaux de forgeron afin de fortifier le fer et de retirer le laitier. Le fer ainsi obtenu contenait habituellement environ 3 pour cent de laitier et quelques pour cent d’autres impuretés. En 1784, le producteur de fer Henry Cort développa le procédé Puddel, lors duquel le fer brut est transformé en acier à souder – correspondant en principe au fer à forger - dans un four spécial. C’est à l’inventeur polyvalent Henry Bessemer auquel l’on attribue en 1855 le brevet pour son procédé de préparation d’acier à partir de fer brut riche en silicium et pauvre en phosphore. Les frères Emile et Pierre Martin ont utilisé ce procédé pour la première fois en 1864 afin de gagner de l’acier à partir de fer brut et de minerai, respectivement de fer brut et de ferraille. Cette méthode fut plus tard appelée méthode « Siemens-Martin ». En 1877 le procédé Thomas, nommé d’après Sidney Gildchrist Thomas, fut introduit en Angleterre. Ce procédé a permis de transformer en acier le fer riche en phosphore.


Production d’acier

La production d’acier à parti de fer brut se fait principalement en supprimant les produits accompagnateurs non désirés tels que carbone, manganèse, silicium, phosphore ou soufre. Le pourcentage élevé de carbone contenu dans le fer brut fait de ce minerai un matériau fragile qui se ramollit soudainement lorsqu’on l’échauffe. Pour ces raisons, la décarburation afin d’obtenir la concentration de carbone telle qu’elle est dans l’acier (affination) est au premier plan. Différent procédés ont été développés à cet effet. Les méthodes principalement utilisées de nos jours sont la conversion à l’oxygène et le procédé du four à arc électrique. Les méthodes plus anciennes telles que le procédé Bessemer, Thomas et aussi le procédé Siemens-Martin n’ont pratiquement plus de signification de nos jours.


Conversion à l’oxygène

La majorité de l’acier produit provient de ce procédé. Lors de la conversion, de l’oxygène sous surpression est introduit à différentes hauteurs et soufflé sur le mélange métallique qui se trouve dans le convertisseur. Cette méthode est connue sous le nom de procédé Linz-Donawitz (ou procédé LD) et sert avant tout à la production de fer brut pauvre en phosphore. Lors de ce soufflage d’une durée d’environ 20 minutes le mélange est porté de 1150 à 1650 °C. De la ferraille est ajoutée au mélange afin de le refroidir. En fonction du types des coproduits contenus dans le fer brut, des additifs formateurs de laitier sont ajoutés. Des fers bruts riches en phosphore sont traités par le procédé Linz-Donawitz/Arbed-Centre-National (ou procédé LDAC). Lors de ce procédé un deuxième soufflage est effectué après coulée du laitier avec de la chaux oxygénée. Ce procédé permet une suppression du phosphore contenu dans le fer brut encore plus efficace. En plus de ces deux méthodes, d’autres procédés spéciaux sont couramment utilisés dans la production industrielle de l’acier.


Acier électrique

Contrairement aux procédés décrits jusqu’à présent, la production d’acier électrique ne nécessite que de petites quantités de fer brut. Cette variante de production utilise principalement de la ferraille pour fabriquer de l’acier dans des fours à induction ou des fours à arc électrique. En principe le métal à faire fondre représente une électrode et la barre de carbone placée au-dessus représente l’autre électrode. Lors du fonctionnement du four un arc électrique se forme entre les deux électrodes représentant la source de chaleur. Dans le four à induction la chaleur est produite dans une bobine. Ce procédé est très apte à produire des aciers de qualités tels que les aciers inoxydables ou d’autres aciers à alliages exigeants nécessitant une production d’après un modèle précis.


Finition

L’acier se trouve sous diverses formes et tailles parmi lesquelles on trouve des barres, des tubes, des plaques, des tôles et des poutrelles en double-T. Ces produits sont entre autres fabriques dans des laminoirs, par exemple en laminant des lingots à chaud ou en les mettant en forme par d’autres procédés. Le traitement du métal augmente également sa qualité en affinant sa structure cristalline et augmentant sa solidité.

Le principe de base pour traiter l’acier est le laminage à chaud. Lors du laminage à chaud les lingots de fonte sont échauffés dans un four jusqu’à ignition puis passés entre une série de paires de cylindres métalliques qui leur donne la forme et les dimensions souhaitées. Contrairement au laminage à chaud, la pièce d’ouvrage n’est pas échauffée lors du laminage à froid. Le laminage à froid est utilisé lors de la transformation dite à froid, par exemple lors du laminage de tôles fines en acier. L’acier se trouve sous diverses formes et tailles parmi lesquelles on trouve des barres, des tubes, des plaques, des tôles et des poutrelles en double-T. Ces produits sont entre autres fabriques dans des laminoirs, par exemple en laminant des lingots à chaud ou en les mettant en forme par d’autres procédés. Le traitement du métal augmente également sa qualité en affinant sa structure cristalline et augmentant sa solidité.

Le principe de base pour traiter l’acier est le laminage à chaud. Lors du laminage à chaud les lingots de fonte sont échauffés dans un four jusqu’à ignition puis passés entre une série de paires de cylindres métalliques qui leur donne la forme et les dimensions souhaitées. Contrairement au laminage à chaud, la pièce d’ouvrage n’est pas échauffée lors du laminage à froid. Le laminage à froid est utilisé lors de la transformation dite à froid, par exemple lors du laminage de tôles fines en acier.


Fer blanc

Le produit traité largement le plus important est le fer-blanc pour la production de boites de conserves. Le fer blanc est composé de plus de 99 pour cent d’acier. Le procédé le plus couramment utilisé pour recouvrir les tôles d’étain est le procédé galvanique. Lors de ce procédé une électrode d’étain pur sert d’anode et un bain contenant entre autre de l’hydroxostannat (un composé d’étain) sert d’électrolyte. Lors de ce procédé la tôle d’acier est déroulée lentement de la bobine et passée dans la solution chimique. En même temps une tension électrique est appliquée au système ce qui amène l’électrode en étain à se dissoudre lentement et se déposer en tant qu’étain élémentaire sur l’acier. Un kilogramme d’étain suffit ainsi à recouvrir 50 m² d’acier. Pour produire des tôles fines l’acier est laminé une deuxième fois avant d’être recouvert d’étain, ce qui donne des tôles particulièrement fines et solides. Des boites de conserves en tôles fines sont aussi résistantes que des boites ordinaires mais contiennent moins d’acier, économisant ainsi du poids et des couts de production. Des emballages légers peuvent également être produits en film d’acier recouvert d’étain. D’autres procédés de transformation de l’acier sont par exemple la forge et la coulée.


Classification de l’acier.

Les aciers sont classifiés en fonction de la méthode de fabrication ou de l’utilisation dans un grand nombre de catégories. A cause de cette diversité nous ne présenterons ci-après qu’une petite sélection de catégories..

  • A. Aciers à carbone
    Il s’agit ici d’une variété simple d’acier apte à être durci, contenant entre 0,5 et 1,7 pour cent de carbone.
     
  • B. Aciers alliés
    Ces aciers présentent une composition déterminée et contiennent un certain pourcentage de vanadium, de molybdène, ou d’autres éléments. Les aciers alliés sont utilisés pour fabriquer un grand nombre de produits tels que par exemple des essieux et des transmissions de véhicules. Certains alliages d’acier, contenant du cobalt ou du wolfram, sont employés pour fabriquer des aimants permanents.
     
  • C. Aciers inoxydables
    Les aciers inoxydables contiennent du chrome, du nickel et d’autres éléments d’alliages empêchant la rouille de se former dans un environnement humide ou lors de contact avec des acides ou des gaz corrosifs. Le chrome rend l’acier particulièrement dur, tandis que le nickel augmente la ténacité. Un alliage comprenant 25 pour cent de nickel peut par exemple être étiré sur le double de sa longueur sans qu’il ne casse. L’acier V2A (autrefois aussi appelé Nirosta) contient par exemple 71 pour cent de fer, 20 pour cent de chrome, 8 pour cent de nickel ainsi que 0,2 pour cent chacun de carbone, silicium et manganèse. Les aciers inoxydables sont par exemple utilisés pour des conduits et réservoirs de raffineries de pétrole ou dans l’industrie chimique. Les appareils médicaux et les outils d’opérations chirurgicales sont également fabriqués dans ces aciers.
     
  • D. Aciers à outils
    Ces aciers sont utilisés pour fabriquer un grand nombre d’outils ainsi que les parties coupantes ou formatrices de nombreuses machines à moteurs. Ces alliages contiennent du wolfram, du molybdène et d’autres éléments augmentant la solidité, la dureté et la résistance à l’abrasion.

Construction de l’acier

Les propriétés physiques des différentes sortes d’acier et de tout alliage à différentes températures dépendent notamment de la concentration et de la répartition du carbone dans le fer. Avant le traitement thermique la plupart des aciers sont un mélange de trois substances : ferrite, perlite (à ne pas confondre avec la roche volcanique du même nom) et cémentite. La ferrite contient de faibles quantités de carbone et est souple et formable. La cémentite est un carbure de fer (Fe3C). Ce composé de fer est très friable et dur et contient environ 7 pour cent de carbone. La perlite est un mélange serré de ferrite et de cémentite ayant une composition et une structure particulière. Ses propriétés physiques se situent entre celles de ses deux composants.

La ténacité et la dureté d’un acier non traité par la chaleur dépendent de la part de ces trois composants. Un acier dont la part de carbone augmente voit la quantité de ferrite qu’il contient diminuer et la quantité de perlite augmenter, jusqu’au point où l’acier est entièrement composé de perlite. C’est le cas lorsque l’acier contient 0,8 pour cent de carbone. Les aciers dont la teneur en carbone est plus importante sont un mélange de perlite et de cémentite. Lors du traitement thermique de cet acier, ferrite et perlite se transforment en une forme allotropique d’un alliage de fer et de carbone, aussi appelé austénite. L’austénite à la propriété de dissoudre tout le carbone libre dans le métal. Si l’acier est refroidi lentement, l’austénite n’est pas retransformée en ferrite et perlite. Si le refroidissement se fait rapidement, une partie de l’austénite reste « figée » tandis qu’une autre part se transforme en martensite. Il s’agit là d’une forme instable du système ferrite-cémentite. Le nom martensite est par ailleurs aussi utilisé pour désigner d’autres alliages métalliques construits de façon similaire.


Traitement thermique

Le principe de base du durcissement de l’acier se résume par un réchauffement du métal jusqu’à la température de formation de l’austénite (environ 760 à 870 °C), suivi d’un refroidissement brutal. Ces procédés de durcissement entrainent de fortes tensions intérieures au métal que l’on peut supprimer en le faisant recuire. Le traitement thermique permet de contrôler la quantité, la forme, la taille et la répartition des particules de cémentite dans la ferrite, ce qui détermine les propriétés physiques de l’acier.

De nombreuses variations de ce procédé existent. Les métallurgistes ont pu déterminer que la transformation de l’austénite en martensite se fait vers la fin de la phase de refroidissement et que cette transformation s’accompagne d’un changement de volume pouvant entrainer des fissures lors d’un refroidissement trop rapide. Trois procédés (entre autres) ont été développés afin d’éviter la formation de ces fissures. Lors d’un refroidissement lent, l’acier est retiré du bain de refroidissement au moment où la température de formation de martensite est atteinte. On laisse ensuite refroidir l’acier à l’air. Lors d’une autre méthode, l’acier est retiré du bain au même moment puis plongé dans un bain de température identique jusqu’au point où l’intérieur de l’acier a pris la même température. L’acier est ensuite refroidi à l’air à travers la zone de température de formation de la martensite. Cette zone va de environ 288 °C jusqu’à température ambiante pour la plupart des aciers. Encore une méthode implique un bain de métal ou de sel maintenu à température constante, dans lequel on plonge l’acier pour la modification de structure souhaitée. L’acier reste dans le bain pour la durée de la transformation.

D’autres méthodes pour durcir l’acier par traitement thermique existent également. Une pièce d’œuvre en acier peu recevoir une surface extrêmement dure lors d’échauffement avec des composés carbone ou azote (carburation, nitration). Ces composés réagissent avec l’acier et soit augmentent la concentration de carbone ou forment des liaisons azote dans la surface. Lors de la carburation l’acier brut est échauffé en présence de coke, de méthane ou de monoxyde de carbone. Lors de la nitration à gaz l’acier d’une certaine composition – l’acier doit contenir des éléments formeurs de liaisons nitrates tels que le chrome ou le titane – est durci par échauffement en présence de gaz d’ammoniaque. La méthode de nitration est principalement employée dans la construction de véhicules ou de machines ainsi que dans la fabrication d’outils.



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